DE19802822C2

DE19802822C2 - The vibration gyro

Info

Publication number: DE19802822C2
Application number: DE19802822A
Authority: DE
Inventors: Kazumasa Ohnishi; Masayuki Tanaka; Katsutoshi Sakurai; Fumihito Shikanai
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1998-01-26
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JPH10206166A; JP3288597B2; DE19802822A1; US6053044A

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingkreisel, der die Möglichkeit bietet, eine Winkelgeschwindigkeit nachzuweisen, wenn von einer Treibereinrichtung ein Schwinger in Schwingungen versetzt wird, indem Schwingungskomponenten aufgrund einer durch die Winkelgeschwindigkeit hervorgerufenen Corioliskraft in Form elektrischer Signale unter Ausnutzung piezoelektrischer Effekte nachgewiesen werden.The invention relates to an oscillating gyroscope that offers the possibility of to demonstrate an angular velocity if from a Driver device vibrates an oscillator by Vibration components due to a by the Coriolis force in the form caused by angular velocity electrical signals using piezoelectric effects be detected.

Fig. 12A zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen konventionellen Schwingkreisel. Fig. 12B ist eine Schnittansicht des in Fig. 12A dargestellten Schwingkreisels. FIG. 12A shows a conventional vibratory gyroscope in a perspective view. Fig. 12B is a sectional view of the vibratory gyroscope shown in Fig. 12A.

Bei diesem Typ von Schwingkreisel ist an einer Oberseite 31a eines prismatisch ausgebildeten Schwingers 31 eine piezoelektrische Treibereinrichtung 32a befestigt. Der Schwinger besteht aus einer dauerelastischen Legierung, beispielsweise Elinvar oder dergleichen, und hat quadratischen Querschnitt. Wenn an die piezoelektrische Einrichtung 32a Treiberleistung gelegt wird, erzeugt der Schwinger 31 Biegeschwingungen mit einer Amplitudenrichtung, die hier als Y- Richtung definiert ist.In this type of oscillating gyroscope, a piezoelectric driver device 32 a is attached to an upper side 31 a of a prismatic oscillator 31 . The transducer consists of a permanently elastic alloy, for example Elinvar or the like, and has a square cross section. If drive power is applied to the piezoelectric device 32 a, the oscillator 31 generates bending vibrations with an amplitude direction, which is defined here as the Y direction.

Wenn der die Biegeschwingung ausführende Schwinger 31 in ein drehendes System eingebracht wird und eine Winkelgeschwindigkeit ω um eine Z-Achse aufweist, wirkt auf den Schwinger 31 eine Corioliskraft in einer Richtung (X-Richtung), welche die Schwingungsrichtung (Y-Richtung) kreuzt. Somit findet in dem Schwinger 31 aufgrund der Colioliskraft eine Schwingung mit Schwingungsamplituden in X-Richtung statt. Demzufolge erzeugt der Schwinger 31 eine elliptische Schwingung, welche dadurch erhalten wird, daß die Antriebsschwingung in Y-Richtung und die Schwingung in X-Richtung aufgrund der Colioliskraft vektoriell addiert werden.When the vibrating oscillator 31 executing the bending vibration is introduced into a rotating system and has an angular velocity ω around a Z axis, the vibrator 31 is subjected to a Coriolis force in a direction (X direction) which crosses the vibrating direction (Y direction). Thus, an oscillation with oscillation amplitudes in the X direction takes place in the oscillator 31 due to the coliolis force. As a result, the vibrator 31 generates an elliptical vibration which is obtained by vectorially adding the driving vibration in the Y direction and the vibration in the X direction due to the coliolis force.

Wenn die Masse des Schwingers 31 den Wert m hat, die Geschwindigkeit einer Schwingungskomponente in Y-Richtung mit v (Vektor) bezeichnet wird, und die Winkelgeschwindigkeit um die Z- Achse mit ω (Vektor) bezeichnet wird, so entsteht eine Corioliskraft F (Vektor) gemäß folgender Gleichung:If the mass of the vibrator 31 has the value m, the speed of a vibration component in the Y direction is denoted by v (vector), and the angular velocity around the Z axis is denoted by ω (vector), a Coriolis force F (vector) arises ) according to the following equation:

Equation 1

F = 2m(vxω) (x: Vektorprodukt)
F = 2m (vxω) (x: vector product)

Die Corioliskraft F ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit ω.The Coriolis force F is proportional to the angular velocity ω.

Um die auf der Corioliskraft beruhende Schwingungskomponente nachzuweisen, ist üblicherweise eine piezoelektrische Nachweiseinrichtung 33 an der Seitenfläche 31c angebracht, die der Amplitudenrichtung (X-Richtung) der Corioliskraft-Schwingung zugewandt ist, wie aus Fig. 12B hervorgeht.To demonstrate the based on the Coriolis vibration component, a piezoelectric sensing means 33 is typically attached c on the side surface 31 (X-direction) of the Coriolis oscillation facing the amplitude direction, as shown in Fig. 12B apparent.

Fig. 11 zeigt ein von einer Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 gemäß Fig. 12B erzeugtes Ausgangssignal in Form eines Vektordiagramms. FIG. 11 shows an output signal generated by a surface electrode of the piezoelectric device 33 according to FIG. 12B in the form of a vector diagram.

Wenn Antriebsleistung auf die piezoelektrische Einrichtung 32a gegeben wird und der Schwinger 31 mit einer Amplitude in Y-Richtung schwingt, und wenn dabei keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist, erhält man an der Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 eine Ausgangsgröße F0. Da der Schwinger 31 in Y- Richtung schwingt, wird diese Ausgangsgröße F0 von der piezoelektrischen Einrichtung 33 entsprechend der Schwingungs- Anregung einer Leistungsumsetzung unterworfen. Diese Ausgangsgröße F0 wird im folgenden als "Nullausgabe" bezeichnet. Die Nullausgabe F0 ist z. B. in ihrer Phase um 90° gegenüber dem der piezoelektrischen Einrichtung 32a zugeführten Treibersignal verschoben.If drive power is given to the piezoelectric device 32a and the oscillator 31 oscillates with an amplitude in the Y direction, and if there is no angular velocity ω, an output quantity F0 is obtained on the surface electrode of the piezoelectric device 33 . Since the oscillator 31 oscillates in the Y direction, this output variable F0 is subjected to a power conversion by the piezoelectric device 33 in accordance with the oscillation excitation. This output variable F0 is referred to below as "zero output". The zero output F0 is e.g. B. in phase by 90 ° relative to the piezoelectric device 32 a supplied driver signal.

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist und die Schwingungskomponente in X-Richtung aufgrund der Colioliskraft erzeugt wird, liefert die piezoelektrische Einrichtung 33 ein Coriolissignal Fω entsprechend der Schwingungskomponente aufgrund der Colioliskraft. Das nachgewiesene Meßsignal F1, welches also von der Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 gewonnen wird, entspricht der Summe der Nullausgabe F0 und des Coriolissignals Fω, die jeweils als Vektoren dargestellt werden. Das Coriolissignal Fω das in Fig. 11 durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, entspricht einer Ausgangsgröße bei einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit ω um die Z-Achse beispielsweise im Uhrzeigersinn. Ist die Winkelgeschwindigkeit ω im Gegenuhrzeigersinn gerichtet, hat das Coriolissignal Fω eine Vektorrichtung, die in Fig. 11 durch gestrichelte Linien dargestellt ist.When there is an angular velocity ω and the vibration component in the X direction is generated due to the Coliolis force, the piezoelectric device 33 supplies a Coriolis signal Fω corresponding to the vibration component due to the Coliolis force. The detected measurement signal F1, which is thus obtained from the surface electrode of the piezoelectric device 33 , corresponds to the sum of the zero output F0 and the Coriolis signal Fω, which are each represented as vectors. The Coriolis signal Fω, which is represented by a solid line in FIG. 11, corresponds to an output variable at a given angular velocity ω about the Z axis, for example clockwise. If the angular velocity ω is directed counterclockwise, the Coriolis signal Fω has a vector direction, which is shown in FIG. 11 by broken lines.

Als Verfahren zum Ermitteln der Ausgangskomponente, welche auf die Colioliskraft zurückzuführen ist, aus dem Meßsignal F1, welches die Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 liefert, gibt es ein bekanntes Amplitudendifferenz-Nachweisverfahren, mit dem die Differenz W der Amplitude zwischen F1.cosθ und der Nullausgabe F0 ermittelt wird; außerdem gibt es ein Verfahren, bei dem eine Phasenänderung θ in dem Meßsignal nachgewiesen wird.As a method for determining the output component, which is due to the coliolis force, from the measurement signal F1, which supplies the surface electrode of the piezoelectric device 33 , there is a known amplitude difference detection method with which the difference W of the amplitude between F1.cosθ and the zero output F0 is determined; there is also a method in which a phase change θ is detected in the measurement signal.

Das Verfahren, bei dem die Amplitudendifferenz ermittelt wird, ist nicht in der Lage, die Amplitudendifferenz zwischen F1.cosθ und der Nullausgabe F0 zu ermitteln, wenn die Nullausgabe F0 schwankt. Bei einem Schwingkreisel, in welchem die piezoelektrische Einrichtung an dem aus der dauerelastischen Legierung gebildeten Schwinger angebracht ist, unterliegt die Amplitude der Nullausgabe F0 Schwankungen aufgrund von Temperaturänderungen, und es ergibt sich eine Temperaturdrift, wenn die Komponente entsprechend der Corioliskraft ermittelt wird.The method in which the amplitude difference is determined is not able to measure the amplitude difference between F1.cosθ and the Determine zero output F0 when the zero output F0 fluctuates. at an oscillating gyroscope in which the piezoelectric device attached to the transducer formed from the permanently elastic alloy the amplitude of the zero output F0 is subject to fluctuations due to temperature changes, and there is a Temperature drift when the component corresponds to the Coriolis force is determined.

Das Verfahren zum Ermitteln der Phasenänderung θ ist in der Japanischen Patent-Anmeldung 4-14734 offenbart. Bei jenem bekannten Verfahren wird ein von einer piezoelektrischen Rückkopplungseinrichtung 32b auf der Unterseite 31b des Schwingers 31 erhaltenes Rückkopplungssignal um 90° in der Phase verschoben, um ein Vergleichssignal zu erhalten, dessen Phase identisch mit jener des Treibersignals ist. Aufgrund des Vergleichssignals wird eine Phasenänderung θ im Meßsignal F1 von der piezoelektrischen Einrichtung 33 unter Verwendung einer Exclusiv-oder-Schaltung (EX- OR-Gatter) gewonnen.The method for determining the phase change θ is disclosed in Japanese Patent Application 4-14734. In that known method one of a piezoelectric feedback means 32 b on the bottom 31 b of the vibrator 31 obtained feedback signal is shifted by 90 ° in phase in order to obtain a comparison signal whose phase is identical to that of the driving signal. Based on the comparison signal, a phase change θ in the measurement signal F1 is obtained by the piezoelectric device 33 using an exclusive-or circuit (EX-OR gate).

Bei dem Verfahren zum Ermitteln der Phasenänderung θ mit dem Zweck, die auf die Corioliskraft zurückzuführende Schwingungskomponente zu ermitteln, ist der Einfluß der Temperaturdrift weniger ausgeprägt als bei dem oben erläuterten Amplitudennachweisverfahren, weil ersteres Verfahren kaum beeinflußt wird durch eine Änderung der Amplitude der Nullausgabe bei Temperaturänderungen.In the method for determining the phase change θ with the Purpose to be attributed to Coriolis force Determining the vibration component is the influence of Temperature drift less pronounced than that explained above Amplitude detection method because the former method hardly influences is changed by changing the amplitude of the zero output Temperature changes.

Da allerdings die Amplitude des Coriolissignals Fω kleiner ist als diejenige der Nullausgabe F0, ist das Ausmaß der Phasenänderung θ nicht besonders groß, und mithin ist ein sehr genaues Messen schwierig. Darüberhinaus erfordert der Nachweis einer winzigen Phasenänderung θ mit hoher Genauigkeit auch die Steigerung der Präzision der Schaltung mit entsprechend teureren elektronischen Bauteilen, so daß insgesamt die Kosten steigen. Wird eine kleine Phasenänderung θ mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen, so muß die Verstärkung eines Analogteils der Schaltung erhöht werden, wodurch die Beeinflußung der Schaltung aufgrund von Drifterscheinungen bei Temperaturschwankungen zunimmt.However, since the amplitude of the Coriolis signal Fω is smaller than that of zero output F0 is the amount of phase change θ not particularly large, and therefore very precise measurement is difficult. In addition, the detection of a tiny phase change requires θ with high accuracy also increasing the precision of the circuit with correspondingly more expensive electronic components, so that the total The costs are increasing. If a small phase change θ becomes high Sensitivity demonstrated, the gain of an analog part the circuit can be increased, thereby influencing the circuit increases due to drift phenomena with temperature fluctuations.

Aus der DE 198 00 333 A1 (die entsprechende Anmeldung besitzt einen besseren Zeitrang als die vorliegende Patentanmeldung) ist ein Schwingkreisel entnehmbar, der einen Schwinger, eine Treibereinrichtung und eine Detektiereinheit enthält. Wie die verschiedenen Signale ausgewertet werden, läßt sich dieser Schrift nicht entnehmen. Entnehmbar ist der Schrift lediglich, daß zur Ermittlung der Winkelge schwindigkeit die Differenz unterschiedlicher Phasensignale von Fühlerelektroden gebildet wird.From DE 198 00 333 A1 (the corresponding application has a better one Seniority than the present patent application), a vibratory gyroscope can be removed, which contains an oscillator, a driver device and a detection unit. This document does not explain how the various signals are evaluated remove. It can only be seen from the writing that to determine the Winkelge speed is the difference between different phase signals from sensor electrodes is formed.

Aus der DE 195 44 338 A1 ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor bekannt, bei dem an einem Schwinger piezoelektrische Anregungs- und Erfassungselemente angeordnet sind. Mit Hilfe der Erfassungselektroden läßt sich die Schwingung von Schenkeln des Schwingers in X-Richtung sowie die Winkelgeschwindigkeit um ei ne Z-Achse ermitteln. Phasendifferenzsignale werden nur in Verbindung mit der Störung von lästigem Rauschen verwendet. Die eigentliche Signalerfassung zum Ermitteln der Winkelgeschwindigkeit erfolgt durch Subtraktion der von verschiede nen Erfassungselektroden erfaßten Signale und durch anschließende Synchron demodulation des so erhaltenen Differenzsignals.An angular velocity sensor is known from DE 195 44 338 A1, at the piezoelectric excitation and detection elements on a transducer are arranged. With the help of the detection electrodes, the vibration of Legs of the transducer in the X direction and the angular velocity by ei Determine the Z axis. Phase difference signals are only used in conjunction with the Annoying noise interference used. The actual signal acquisition for The angular velocity is determined by subtracting that from different ones NEN detection electrodes detected signals and by subsequent synchronization demodulation of the difference signal thus obtained.

DISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schwingkreisel zu schaffen, der in der Lage ist, eine Phasenänderung eines detektierten Ausgangssignals mit dem Vergleich zum herkömmlichen Schwingkreisel erhöhter Genauigkeit zu ermitteln, um dadurch die Möglichkeit zu erhalten, die Genauigkeit beim Ermitteln einer Winkelgeschwindigkeit zu steigern.It is an object of the invention to provide an oscillating gyroscope which is able to change the phase of a detected output signal with the comparison to the conventional oscillating gyroscope higher Determine accuracy to give you the ability to Increase accuracy in determining angular velocity.

Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung einen Schwingkreisel mit den Merkmalen des Anspruchs 1.According to a first aspect, the invention creates an oscillating gyroscope with the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Schwingkreisel werden die Ausgangsgrößen, deren Nullausgabe in Phase sind, und deren Coriolissignal-Komponenten gegenläufige Phasen haben, aus den beiden Detektierausgabeeinrichtungen der Detektiereinheit gewonnen. Bei dem Schwingkreisel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Phasendifferenz zwischen den Ausgangsgrößen ermittelt, die von beiden Detektierausgabeeinrichtungen geliefert werden. Die von dem Paar von Detektierausgabeeinrichtungen gelieferten Ausgangsgrößen beinhalten die in Phase miteinander liegenden Nullausgaben. Das Ermitteln der Differenz der Phase zwischen den Ausgangsgrößen, die von beiden Detektierausgabeeinrichtungen geliefert werden, führt also zu der Addition der Phasendifferenz zwischen dem Coriolissignal und dem Nullausgang, bezogen auf das von der einen Detektierausgabeeinrichtung gelieferte Ausgangssignal, und der Phasendifferenz zwischen dem Coriolissignal und der Nullausgabe, bezogen auf das von der anderen Detektierausgabeeinrichtung erzeugte Ausgangssignal. Bei dem Schwingkreisel gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Coriolissignalkomponenten beseitigt oder ausgelöscht, indem die von den individuellen Detektierausgabeeinrichtungen erzeugten Ausgangsgrößen addiert werden, wodurch ein Signal gewonnen wird, welches in Phase mit jeder Nullausgabe ist. Jede Phasendifferenzeinrichtung erzeugt ein Vergleichssignal basierend auf dem Signal, welches in Phase mit der Nullausgabe ist. Auf der Grundlage dieses Vergleichssignals werden die Phasendifferenzen zwischen den von den Detektierausgabeeinrichtungen gewonnenen Ausgangssignalen ermittelt, und beide Phasendifferenzen werden addiert.In the oscillating gyro according to the invention Output variables whose zero output is in phase and whose Coriolis signal components have opposite phases, from the two Detection output devices of the detection unit obtained. In which Vibrating gyroscope according to the first aspect of the invention is the Phase difference between the output quantities determined by both Detection output devices can be supplied. The pair of Output quantities supplied to detection output devices include the zero outputs in phase with each other. Identifying the Difference in phase between the output quantities by both Detection output devices are delivered, so leads to the Addition of the phase difference between the Coriolis signal and the Zero output, based on that from the one detector output device delivered output signal, and the phase difference between the Coriolis signal and zero output based on that of the other Detection output device generated output signal. In which Vibratory gyroscope according to the second aspect of the invention Coriolis signal components eliminated or canceled by those of the output quantities generated by individual detection output devices can be added, whereby a signal is obtained which is in phase with every zero output. Each phase difference device generates one Comparison signal based on the signal which is in phase with the Is zero output. On the basis of this comparison signal, the Phase differences between those from the detector output devices obtained output signals determined, and both phase differences are added.

Gemäß Fig. 10 läßt sich also die Phasendifferenz Φ zwischen der Summe der Vektoren für die Coriolissignale verschiedener Phasen und der Summe der Vektoren für die Nullausgaben nachweisen. Selbst wenn die Amplitude jedes Coriolissignals klein ist, ermöglicht der Nachweis der Phasendifferenz Φ ein hochgenaues Messen im Vergleich zu der herkömmlichen Anordnung zum Ermitteln der Phasenänderung θ, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist. Da außerdem die Nachweisempfindlichkeit dadurch gesteigert ist, daß die zwei Phasendifferenzen Φ ermittelt werden, braucht der Analogteil der Schaltung in seiner Verstärkung nicht erhöht werden, so daß der Einfluß der Schaltungsdrift aufgrund von Temperaturänderungen abgemildert wird.Referring to FIG. 10 Thus, the phase difference Φ between the sum of the vectors for the Coriolissignale different phases and the sum of the vectors can be detected for the zero output. Even if the amplitude of each Coriolis signal is small, the detection of the phase difference Φ enables highly accurate measurement compared to the conventional arrangement for determining the phase change θ as shown in FIG. 11. In addition, since the detection sensitivity is increased by determining the two phase differences Φ, the amplification of the analog part of the circuit does not need to be increased, so that the influence of the circuit drift due to temperature changes is reduced.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann die oben beschriebene Einrichtung derart ausgebildet sein, daß Detektierausgabeeinrichtungen 5a und 5b als Elektroden auf ein und derselben Fläche eines Schwingers ausgebildet sind und dielektrische Polarisierungsrichtungen jedes piezoelektrischen Materials, auf dem das Paar von Elektroden einander gegenüberliegt, in Bezug auf die Schwingungsrichtung einander entgegengesetzt sind. Bei dieser Ausgestaltung können Meßsignale C und D von denen als Elektroden ausgebildeten Detektierausgabeeinrichtungen 5a und 5b an dem Schwinger erhalten werden, bei denen die Nullausgaben in Phase sind und die Coriolissignale gegenphasig sind.As shown in Fig. 2, the device described above may be formed such that detection output devices 5 a and 5 b are formed as electrodes on one and the same surface of a vibrator and dielectric polarization directions of each piezoelectric material on which the pair of electrodes face each other , are opposite to each other with respect to the direction of vibration. In this embodiment, measurement signals C and D can be obtained from the detector output devices 5 a and 5 b on the oscillator which are designed as electrodes and in which the zero outputs are in phase and the Coriolis signals are in phase opposition.

Es kann Fälle geben, in denen je nach den dielektrischen Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials und den Stellen, an denen sich die als Detektierausgabeeinrichtungen fungierenden Elektroden befinden, Meßsignale erhalten werden, bei denen die Nullausgaben gegenphasig sind, während die Coriolissignale in Phase sind. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die eine Detektierausgabeeinrichtung mit einem Phasendreher auszustatten, um Meßsignale zu erhalten, bei denen die Nullausgänge in Phase sind, während die Coriolissignale gegenphasig sind.There may be cases where depending on the dielectric Directions of polarization of the piezoelectric material and the locations, at which the act as detection output devices Electrodes are located, measurement signals are obtained in which the Zero outputs are out of phase while the Coriolis signals are in phase are. In this case there is a possibility that one To equip the detector output device with a phase rotator To obtain measurement signals in which the zero outputs are in phase, while the Coriolis signals are out of phase.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist jeder Schwinger in seiner Gesamtheit aus piezoelektrischem Material gefertigt, wobei die Detektierausgabeeinrichtungen durch Elektroden gebildet werden, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials ausgebildet sind.Advantageous developments of the invention are in the subclaims specified. In a preferred embodiment, each oscillator is in made in its entirety from piezoelectric material, the Detection output devices are formed by electrodes that are on the surface of the piezoelectric material are formed.

Wenn der gesamte Schwinger aus piezoelektrischem Keramikmaterial oder Kristallmaterial hergestellt ist, kann hierdurch die Temperaturdrift im Vergleich zu einer Anordnung verringert werden, bei der auf einer dauerelastischen Legierung piezoelektrisches Material angebracht ist. Allerdings kann auch erfindungsgemäß der Schwinger so gebildet sein, daß er aus einer dauerelastischen Legierung, beispielsweise Elinvar, hergestellt ist, und daß als Treiber- und Detektiereinrichtung auf diesem Schwinger piezoelektrische Elemente angeordnet sind.If the entire vibrator is made of piezoelectric ceramic material or crystal material is produced, the temperature drift can hereby be reduced compared to an arrangement in which on a permanently elastic alloy piezoelectric material is attached. However, according to the invention, the oscillator can also be formed that it is made of a permanently elastic alloy, for example Elinvar, is produced, and that as a driver and detection device on this Vibrating piezoelectric elements are arranged.

Speziell eignet sich als Struktur für den Schwinger eine dreiarmige oder eine zweiarmige Stimmgabel, ausgestattet mit den paarweisen Detektierausgabeeinrichtungen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Alternativ wird ein stab- oder säulenförmiger Schwinger mit einem Querschnitt entsprechend einem gleichseitigen Dreieck verwendet, wobei die Detektierausgabeabschnitte auf zwei Flächen des Schwingers vorgesehen sein können. Ferner kann man einen Schwinger mit quadratischem Querschnitt, wie er in Fig. 12 dargestellt ist, als Alternative zu den oben angegebenen Formen verwenden, wobei dann die Detektierausgabeabschnitte auf den beiden Seiten angebracht sind, die in X-Richtung weisen. A three-armed or a two-armed tuning fork, equipped with the paired detector output devices, as shown in FIGS. 1 and 2, is particularly suitable as the structure for the vibrator. Alternatively, a rod-shaped or columnar vibrator with a cross section corresponding to an equilateral triangle is used, and the detection output sections can be provided on two surfaces of the vibrator. Furthermore, an oscillator with a square cross section, as shown in Fig. 12, can be used as an alternative to the above-mentioned shapes, in which case the detection output sections are arranged on the two sides which point in the X direction.

Als Treibereinrichtung zum Anregen des Schwingers kann jeweils auch eine statische Wandlereinrichtung vorhanden sein, die nicht aus piezoelektrischem Material besteht.Can also be used as a driver device for exciting the vibrator a static converter device may be present that is not made of piezoelectric material.

Zusätzlich zu den im folgenden zu beschreibenden Ausführungsformen kann die Erfindung auch noch anders ausgestaltet und abgewandelt werden, wie es hier ausdrücklich angegeben ist.In addition to the embodiments to be described below The invention can also be designed and modified differently as expressly stated here.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following, exemplary embodiments of the invention are described with reference to the Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht eines Schwingkörpers eines Schwingkreisels gemäß der Erfindung bei seitlicher Betrachtung von vorn; Fig. 1A is a perspective view of a vibration member of a vibration gyro according to the invention in a side view from the front;

Fig. 1B eine perspektivische Ansicht des Schwingkörpers gemäß Fig. 1A bei seitlicher Betrachtung von hinten; Fig. 1B is a perspective view of the vibrating body of Fig 1A in a side view from behind.

Fig. 2 eine Stirnansicht, die Schwinger gemäß Pfeilrichtung II in Fig. 1A zeigt; Fig. 2 is an end view showing the vibrator in the direction of arrow II in Fig. 1A;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Detektierschaltung; Fig. 3 is a circuit diagram of a first embodiment of a detection circuit;

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer Detektierschaltung; Fig. 4 is a circuit diagram of a second embodiment of a detection circuit;

Fig. 5 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der in Fig. 3 gezeigten Detektierschaltung für den Fall, daß der Schwinger keine Winkelgeschwindigkeit aufweist; Figure 5 is a timing diagram of waveforms on individual components of the detection circuit shown in Figure 3 in the event that the transducer has no angular velocity;

Fig. 6 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der Detektierschaltung nach Fig. 3 für den Fall, daß eine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist; Figure 6 is a timing diagram of waveforms on individual components of the detection circuit of Figure 3 in the event that angular velocity is present;

Fig. 7 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung, wenn keine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist; Fig. 7 is a timing diagram of waveforms on individual components of the detection circuit shown in Fig. 4 when there is no angular velocity;

Fig. 8 ein Impulsdiagramm von Wellenformen einzelner Komponenten der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung für den Fall, daß eine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist und die Phase des Meßsignals C voreilt; Fig. 8 is a timing chart of waveforms of individual components of the detection circuit shown in Fig. 4 in the event that an angular velocity is present and the phase of the measurement signal C leads;

Fig. 9 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung für den Fall, daß eine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist und die Phase des Meßsignals C nacheilt; Fig. 9 is a timing chart of waveforms on individual components of the detection circuit shown in Fig. 4 in the event that an angular velocity is present and lagging the phase of the measurement signal C;

Fig. 10 ein Diagramm zum Erläutern von Meßsignalen in der Form von Vektoren; FIG. 10 is a diagram for explaining measurement signals in the form of vectors;

Fig. 11 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Ausgangssignals, welches von einem Schwingkreisel gemessen wird, in Form von Vektoren; 11 is a diagram illustrating an output signal, which is measured by a vibration gyro, in the form of vectors.

Fig. 12A eine perspektivische Ansicht eines Schwingers eines herkömmlichen Schwingkreisels; und 12A is a perspective view of a vibrator of a conventional vibration gyro. and

Fig. 12B eine Querschnittansicht des in Fig. 12A dargestellten Schwingers. FIG. 12B is a cross-sectional view of the vibrator shown in FIG. 12A.

Ein Schwingkörper 1 ist in seiner Gesamtheit aus piezoelektrischem Material hergestellt, z. B. plattenförmigem Keramik- oder Kristallmaterial. Ein vorderer Bereich des Schwingkörpers ist durch Nuten 1A aufgetrennt in drei Schwinger oder Schwingarme 1a, 1b und 1c, die einstückig zusammenhängen. Die dielektrischen Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials für jeden Schwinger 1a, 1b und 1c sind in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet. Die Schwinger 1b und 1c auf der rechten und der linken Seite sind bezüglich der dielektrischen Polarisationsrichtung identisch. Der mittlere Schwinger 1a ist in der dielektrischen Polarisationsrichtung bezüglich des linken und des rechten Schwingers 1b bzw. 1c symetrisch, betrachtet bezüglich der linken und der rechten Seite sowie der Richtung nach oben und nach unten.A vibrating body 1 is made in its entirety from piezoelectric material, for. B. plate-shaped ceramic or crystal material. A front area of the oscillating body is separated by grooves 1 A into three oscillators or oscillating arms 1 a, 1 b and 1 c, which are connected in one piece. The dielectric polarization directions of the piezoelectric material for each oscillator 1 a, 1 b and 1 c are indicated in FIG. 2 by arrows. The oscillators 1 b and 1 c on the right and the left side are identical in terms of the dielectric polarization direction. The middle oscillator 1 a is symmetrical in the dielectric polarization direction with respect to the left and right oscillators 1 b and 1 c, viewed with respect to the left and the right side and the direction up and down.

An den jeweiligen Schwingers 1a, 1b und 1c sind jeweils Paare von Treiberelektroden 2 aus leitendem Material auf der Unterseite angeordnet. Wie in Fig. 1B zu sehen ist, verlaufen die Treiberelektroden 2 zu einem Basisende 1B des Schwingkörpers 1. Die Treiberelektroden 2 sind über nicht dargestellte Leiter oder Drähte elektrisch mit einer Wechselstrom-Treiberquelle 3 verbunden, von der Treiberspannungen gleichen Potential an die jeweiligen Treiberelektroden 2 gelegt werden.Pairs of driver electrodes 2 made of conductive material are arranged on the underside of the respective vibrators 1 a, 1 b and 1 c. As can be seen in FIG. 1B, the driver electrodes 2 run to a base end 1 B of the oscillating body 1 . The driver electrodes 2 are electrically connected to an AC driver source 3 via conductors or wires, not shown, from which driver voltages of the same potential are applied to the respective driver electrodes 2 .

Der linke und der rechte Schwinger 1b bzw. 1c besitzen Paare von Masseelektroden 4, die auf der Oberseite des Schwingkörpers 1 ausgebildet sind, und der mittlere Schwinger 1a besitzt eine auf ihm ausgebildete Masseelektrode 4. Die einzelnen Masseelektroden 4 verlaufen zu dem Basisende 1b des Schwingkörpers 1. Ein massives Muster 4a befindet sich auf der in Fig. 1A dargestellten Oberseite des Schwingkörpers 1 an dessen Basisende 1B. Sämtliche Masseelektroden sind elektrisch mit dem massiven Muster 4a gekoppelt. Die einzelnen Masseelektroden 4 führen Massepotential oder Erdpotential über nicht dargestellte Drahtverbindungen.The left and right vibrators 1 b or 1 c have pairs of ground electrodes 4 formed on the upper surface of the vibrating body 1, and the average oscillator 1 a has a ground electrode formed thereon. 4 The individual ground electrodes 4 run to the base end 1 b of the vibrating body 1 . A solid pattern 4 a is located on the upper side of the vibrating body 1 shown in FIG. 1A at its base end 1 B. All ground electrodes are electrically coupled to the solid pattern 4 a. The individual ground electrodes 4 carry ground potential or ground potential via wire connections, not shown.

Die Treiberspannungen werden den entsprechenden piezoelektrischen Stoffen als Treibereinrichtung über die Treiberelektroden 2 und die Masseelektroden 4 zugeführt. Entsprechend der dielektrischen polarisierten Struktur gemäß Fig. 2 werden der linke und der rechte Schwinger 1b und 1c zu einer gleichphasigen Schwingung in X-Richtung angeregt, während der mittlere Schwinger 1a in ähnlicher Weise zu einer Schwingung in X-Richtung angeregt wird, jedoch mit einer Phase, die derjenigen des linken und des rechten Schwingers 1b, 1c entgegengesetzt ist (der Phasenunterschied beträgt 180°). Die Amplituden des linken und des rechten Schwingers 1b, 1c in X-Richtung sind jeweils in ihrer Richtung entgegengesetzt der Amplitude am Schwinger 1a in X-Richtung, wenn man jeweils einen Zeitpunkt betrachtet.The driver voltages are supplied to the corresponding piezoelectric substances as driver devices via the driver electrodes 2 and the ground electrodes 4 . According to the dielectric polarized structure according to FIG. 2, the left and right oscillators 1 b and 1 c are excited to an in-phase oscillation in the X direction, while the middle oscillator 1 a is excited in a similar way to an oscillation in the X direction, however, with a phase that is opposite to that of the left and right transducers 1 b, 1 c (the phase difference is 180 °). The amplitudes of the left and right transducers 1 b, 1 c in the X direction are each opposite in their direction to the amplitude at the transducer 1 a in the X direction, if one considers each time.

Ein Paar Detektorelektroden 5a und 5b ist auf der Oberseite des mittleren Schwingers 1a ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform dienen die Detektorelektroden 5a und 5b als Detektierausgabeeinrichtungen, die paarweise arbeiten. Jede der Detektorelektroden 5a und 5b erstreckt sich zu einer Stelle vor dem Basisende 1B am hinteren Teil des Schwingkörpers 1. Integral mit den Detektorelektroden 5a und 5b sind dort Kontaktflecken 5a1 und 5b1 ausgebildet.A pair of detector electrodes 5 a and 5 b is formed on the top of the middle vibrator 1 a. In this embodiment, the detector electrodes 5 a and 5 b serve as detection output devices that work in pairs. Each of the detector electrodes 5 a and 5 b extends to a location in front of the base end 1 B on the rear part of the vibrating body 1 . Integral with the detector electrodes 5 a and 5 b, contact pads 5 a1 and 5 b1 are formed there.

Wenn der Schwingkörper 1 in einem Drehsystem angeordnet wird, welches sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Z-Achse dreht, während die Schwinger 1a, 1b und 1c in X-Richtung zum Schwingen angeregt werden, besitzen die Schwinger 1a, 1b und 1c Schwingungskomponenten, die in Y-Richtung verlaufen, hervorgerufen durch die Corioliskraft gemäß obiger Gleichung (1). Da es eine umgekehrte Beziehung zwischen den Schwingungsphasen der Schwinger 1b und 1c an den beiden Seiten und der Schwingungsphase des mittleren Schwingers 1a aufgrund der jeweiligen Treiberspannungen gibt, haben die Schwinger 1b und 1c eine zur Phase des Schwingers 1a entgegengesetzte Schwingungsphase aufgrund der Corioliskraft. Das heißt: die Orientierungen der Amplitudenkomponenten der Schwinger 1b und 1c entlang der Y-Achse aufgrund der Corioliskraft sind zu jedem Zeitpunkt die gleichen. Die Orientierung der Amplitudenkomponente des mittleren Schwingers 1a in Y-Richtung ist denjenigen der Schwinger 1b und 1c entgegengesetzt. If the oscillating body 1 is arranged in a rotating system which rotates at an angular velocity ω about a Z axis while the oscillators 1 a, 1 b and 1 c are excited to oscillate in the X direction, the oscillators 1 a, 1 b and 1 c vibration components that run in the Y direction, caused by the Coriolis force according to equation (1) above. Since there is an inverse relationship between the oscillation phases of the oscillators 1 b and 1 c on the two sides and the oscillation phase of the middle vibrator 1 a basis of the respective drive voltages are, the vibrator 1 b and 1 are c a to the phase of the oscillator 1 a reverse phase of vibration due to the Coriolis force. That is, the orientations of the amplitude components of the oscillator 1 b and 1 c along the Y-axis due to the Coriolis force are at all times the same. The orientation of the amplitude component of the middle vibrator 1 a in the Y direction is opposite to that of the vibrators 1 b and 1 c.

Die Detektorelektroden 5a und 5b sind auf derselben Oberfläche (der selben Schwingungsfläche) des mittleren Schwingers 1a ausgebildet, und das piezoelektrische Material des mittleren Schwingers 1a fungiert als Corioliskraft-Detektoreinrichtung oder -Nachweiseinrichtung. Die dielektrischen Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Stoffe für diejenigen Bereiche, an denen die Detektorelektroden 5a und 5b ausgebildet sind, sind einander entgegengesetzt. Damit werden die einzelnen Schwinger 1a, 1b und 1c von einem von der Wechselstrom- Treiberquelle 3 gelieferten Treibersignal in X-Richtung zum Schwingen angeregt. Wenn keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist, können durch ein an der Detektorelektrode 5c abgegriffenes Ausgangs- oder Meßsignal C und ein an der Detektorelektrode 5b abgegriffenes Ausgangssignal D Nullausgänge gewonnen werden, die durch die Schwingungen des mittleren Schwingers 1a in X-Richtung hervorgerufen werden. Darüberhinaus sind die Coriolis-Ausgangskomponenten, die durch die Schwingungen des mittleren Schwingers in Y-Richtung aufgrund der Corioliskraft erzeugt werden, bei dem Ausgangssignal C von der Elektrode 5a und dem Ausgangssignal D von der Detektorelektrode 5b in der Phase entgegengesetzt.The detector electrodes 5 a and 5 b are formed on the same surface (the same vibration surface) of the middle vibrator 1 a, and the piezoelectric material of the middle vibrator 1 a acts as a Coriolis force detector device or detection device. The dielectric polarization directions of the piezoelectric materials for those areas where the detector electrodes 5 a and 5 b are formed are opposite to each other. The individual oscillators 1 a, 1 b and 1 c are thus excited to oscillate in the X direction by a driver signal supplied by the AC driver source 3 . If there is no angular velocity ω, an output or measurement signal C tapped at the detector electrode 5 c and an output signal D tapped at the detector electrode 5 b can be used to obtain zero outputs which are caused by the vibrations of the central oscillator 1 a in the X direction , In addition, the Coriolis output components, which are generated by the vibrations of the central vibrator in the Y direction due to the Coriolis force, are in phase at the output signal C from the electrode 5 a and the output signal D from the detector electrode 5 b.

Im folgenden soll eine in Fig. 3 dargestellte Detektierschaltung erläutert werden. Die an den einzelnen Komponenten dieser Detektierschaltung auftretenden Signale sind in den Impulsdiagrammen der Fig. 5 und 6 dargestellt. Fig. 5 zeigt Signale für den Fall, daß die Schwinger 1a, 1b und 1c ohne vorhandene Winkelgeschwindigkeit ω angeregt werden. Fig. 6 veranschaulicht Signale für den Fall, daß es eine Winkelgeschwindigkeit ω gibt. Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Signale entsprechen dem Zustand nach einer vorher stattgefundenen Wellenformung.A detection circuit shown in FIG. 3 will be explained below. The signals occurring at the individual components of this detection circuit are shown in the pulse diagrams of FIGS. 5 and 6. Fig. 5 shows signals in the event that the vibrators 1 a, 1 b and 1 c are excited without an existing angular velocity ω. Fig. 6 illustrates signals when there is an angular velocity ω. The signals shown in FIGS. 5 and 6 correspond to the state after a waveforming has taken place previously.

In der Detektierschaltung werden das von der Detektorelektrode 5a erhaltene Ausgangs- oder Meßsignal C und das von der Detektorelektrode 5b erhaltene Ausgangs- oder Meßsignal D von einem als Addiereinrichtung dienenden Addierer 11 addiert. An den Addierer schließt sich eine 90°-Phasenschieberschaltung 12 an, die das durch Addition erhaltene Ausgangssignal des Addierers in seiner Phase um 90° verschiebt. Anschließend erfolgt in einer Wellenformerschaltung 13 eine Formung der in der Phase um 90° verschobenen Signale von der Phasenschieberschaltung 12, um ein Vergleichssignal zu bilden. Die Fig. 5A und 5B sowie die Fig. 6A und 6B zeigen die jeweiligen Meßsignale C und D. Fig. 5C und 6C zeigen die Signale, die durch Addition der Meßsignale C und D erhalten werden. Fig. 5D und 6D zeigen die in ihrer Phase um 90° verschobenen Vergleichssignale.In the detection circuit, the output or measurement signal C obtained from the detector electrode 5 a and the output or measurement signal D obtained from the detector electrode 5 b are added by an adder 11 serving as an adder. A 90 ° phase shifter circuit 12 connects to the adder and shifts the phase of the output signal of the adder obtained by addition by 90 °. The signals in phase shifted by 90 ° from phase shifter circuit 12 are then shaped in a waveform circuit 13 in order to form a comparison signal. FIGS. 5A and 5B and FIGS . 6A and 6B show the respective measurement signals C and D. FIGS . 5C and 6C show the signals which are obtained by adding the measurement signals C and D. Fig. 5D and 6D show the shifted in phase by 90 ° compared signals.

Gemäß Fig. 3 wird das Meßsignal C von einer Wellenformerschaltung 14a zu einer Rechteckwelle geformt. Das Rechtecksignal wird zusammen mit dem von der Wellenformerschaltung 13 kommenden Vergleichssignal einer Phasendifferenz-Detektorschaltung (A) 15a zugeführt. Das Meßsignal D wird von einer Wellenformerschaltung 14b ebenfalls zu einer Rechteckwelle geformt, und das Rechtecksignal wird zusammen mit dem Vergleichssignal einer Phasendifferenz- Detektorschaltung (B) 15b zugeleitet. Die in Fig. 3 dargestellten Phasendifferenz-Detektorschaltungen (A) und (B) sind digitale Phasenvergleicher, die durch Exclusiv-oder-Gatter (XOR-Gatter) gebildet werden. Fig. 5E und 6E zeigen die Ausgangssignale der Phasendifferenz-Detektorschaltung (A) 15a. Fig. 5F und 6F zeigen die Ausgangssignale der Phasendifferenz-Detektorschaltung (B) 15b.According to FIG. 3, the measurement signal C is shaped by a wave shaping circuit 14 a into a square wave. The square wave signal is fed together with the comparison signal coming from the wave shaping circuit 13 to a phase difference detector circuit (A) 15 a. The measurement signal D is also formed by a wave shaper circuit 14 b into a square wave, and the square wave signal is fed together with the comparison signal to a phase difference detector circuit (B) 15 b. The phase difference detector circuits (A) and (B) shown in FIG. 3 are digital phase comparators which are formed by exclusive or gates (XOR gates). Fig. 5E and 6E show the output signals of the phase difference detector circuit (A) 15 a. Fig. 5F and 6F show the output signals of the phase difference detector circuit (B) 15 b.

Das von der Schaltung 15a ausgegebene Phasendifferenzsignal (A) wird von einem Tiefpaßfilter (TPF) 16a zu einem Gleichspannungssignal geglättet. Das von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b ausgegebene Phasendifferenzsignal (B) wird von einem Tiefpaßfilter 16b zu einer Gleichspannung geglättet. Fig. 5G und 5H bzw. Fig. 6G und 6H zeigen die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter (A) und (B). Jedes Tiefpaßfilter 16a und 16b besteht aus einer Integratorschaltung. The output from the circuit 15 a phase difference signal (A) is smoothed by a low-pass filter (TPF) 16 a to a DC voltage signal. From said phase difference detector circuit 15, phase difference signal (B) b b outputted is smoothed to a DC voltage of a low pass filter 16th Fig. 5G and 5H and FIG. 6G and 6H show the output signals of the low-pass filter (A) and (B). Each low-pass filter 16 a and 16 b consists of an integrator circuit.

Die von den Tiefpaßfiltern 16a und 16b erhaltenen Gleichspannungen werden einem Differenzverstärker 17 zugeleitet. Der Differenzverstärker 17 dient als Einrichtung zum Addieren der Absolutwerte von Phasendifferenzen, die von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 16a und der Detektorschaltung 15b ausgegeben werden. In anderen Worten: da die in den Meßsignalen C und D enthaltenen Coriolissignale entgegengesetzte Phasen aufweisen, läßt sich eine Phasendifferenz nachweisen, die doppelt so groß ist, wenn man die Differenz zwischen den zwei Meßsignalen ermittelt.The DC voltages obtained from the low-pass filters 16 a and 16 b are fed to a differential amplifier 17 . The differential amplifier 17 serves as a device for adding the absolute values of phase differences, which are output by the phase difference detector circuit 16 a and the detector circuit 15 b. In other words, since the Coriolis signals contained in the measurement signals C and D have opposite phases, a phase difference can be detected that is twice as large if the difference between the two measurement signals is determined.

Das von dem Differenzverstärker 17 gewonnene Ausgangssignal wird von einem Verstärker 18 verstärkt und über ein Tiefpaßfilter 19 ausgegeben. Das erhaltene Ausgangssignal entspricht der Phasendifferenz Φ zwischen den Meßsignalen C und D, die in Fig. 10 durch ein Vektordiagramm dargestellt sind. Dieses Ausgangssignal resultiert aus dem Coriolissignal, und aus dem vorliegenden Ausgangssignal wird die Winkelgeschwindigkeit ω ermittelt.The output signal obtained from the differential amplifier 17 is amplified by an amplifier 18 and output via a low-pass filter 19 . The output signal obtained corresponds to the phase difference Φ between the measurement signals C and D, which are represented in FIG. 10 by a vector diagram. This output signal results from the Coriolis signal, and the angular velocity ω is determined from the present output signal.

Die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15a ermittelt die Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal C, das in den Fig. 5A und 6A dargestellt ist, und jedem der in der Phase um 90° verschobenen Signale (der Vergleichssignale), die in Fig. 5D und 6D dargestellt sind. Außerdem vergleicht die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b die Wellenform der in den Fig. 5B und 6B dargestellten Meßsignale D mit dem in der Phase um 90° verschobenen Signal (Vergleichssignal) gemäß den Fig. 5D und 6D, um die Phasendifferenzen zwischen diesen Signalen zu ermitteln. Die Phasendifferenz-Detektorschaltungen 15a und 15b sind als Exclusiv- oder-Gatter (XOR-Gatter) ausgebildet. Wenn die in die Phasendifferenz- Detektorschaltungen eingegebenen Signale unterschiedliche Pegel haben, d. h. das eine Signal holen und das andere Signal niedrigen Pegel hat, liefern die Detektorschaltungen ein Signal mit hohem Pegel. Haben beide Signale entweder hohen oder niedrigen Pegel, liefern die Detektorschaltungen ein Ausgangssignal mit niedrigem Pegel. The phase difference detector circuit 15 a determines the phase difference between the measurement signal C, which is shown in FIGS . 5A and 6A, and each of the signals shifted in phase by 90 ° (the comparison signals), which are shown in FIGS. 5D and 6D , In addition, the phase difference detector circuit 15 b compares the waveform of the measurement signals D shown in FIGS . 5B and 6B with the phase-shifted signal (comparison signal) according to FIGS. 5D and 6D in order to determine the phase differences between these signals , The phase difference detector circuits 15 a and 15 b are designed as exclusive or gates (XOR gates). If the signals input to the phase difference detector circuits are at different levels, ie one signal fetch and the other signal is low, the detector circuits provide a high level signal. If both signals are either high or low, the detector circuits provide a low level output.

Fig. 5 zeigt den Zustand, daß die jeweiligen Schwinger 1b und 1c zum Schwingen in X-Richtung mit gleicher Phase angeregt werden, während der mittlere Schwinger 1b gegenphasig angeregt wird, während keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist. Fig. 5 shows the state that the respective oscillators 1 b and 1 c are excited to oscillate in the X direction with the same phase, while the middle oscillator 1 b is excited in phase opposition, while there is no angular velocity ω.

Zu diesem Zeitpunkt enthalten die beiden Ausgangssignale C von der Detektorelektrode 5a und D von der Detektorelektrode 5b keine Coriolissignale, sondern nur Meßsignale aufgrund des Umstands, daß der Schwinger 1a in X-Richtung zum Schwingen angeregt wird, d. h. Nullausgangskomponenten, die in der Phase um 90° verschoben sind gegenüber dem Treibersignal. Die Phasendifferenz Φ gemäß Fig. 10 beträgt also Null, die Meßsignale C und D sind in Phase.At this time, the two output signals C from the detector electrode 5 a and D from the detector electrode 5 b do not contain any Coriolis signals, but only measurement signals due to the fact that the oscillator 1 a is excited to oscillate in the X direction, ie zero output components which in the Phase are shifted by 90 ° compared to the driver signal. The phase difference Φ as shown in FIG. 10 is therefore zero, the measurement signals C and D are in phase.

Dementsprechend sind die in Fig. 5E dargestellten Tastverhältnisse des Phasendifferenzsignals (A), welches von der Phasendifferenz- Detektorschaltung 15a geliefert wird, und des Phasendifferenzsignals (B), welches von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b geliefert wird, jeweils 50%. Aus diesem Grund haben die von den Tiefpaßfiltern 16a und 16b gelieferten Gleichstrom-Referenzsignale VREF identischen Pegel. Demzufolge liefert der Differenzverstärker 17 ein Ausgangssignal mit dem Wert Null.Accordingly, the in FIG. 5E duty cycles of the phase difference signal (A) shown that 15 is supplied from the phase difference detecting circuit A, and the phase difference signal (B) which is 15 supplied b of the phase difference detector circuit, respectively 50%. For this reason, the direct current reference signals VREF supplied by the low-pass filters 16 a and 16 b have identical levels. As a result, the differential amplifier 17 supplies an output signal with the value zero.

Fig. 6 zeigt den Zustand, daß die einzelnen Schwinger 1a, 1b und 1c in X-Richtung zum Schwingen angeregt werden und eine Winkelgeschwindigkeit ω um die Z-Achse vorhanden ist. Fig. 6 shows the state that the individual oscillators 1 a, 1 b and 1 c are excited to oscillate in the X direction and there is an angular velocity ω about the Z axis.

Wie oben erläutert, werden in dem von der Detektorelektrode 5a des mittleren Schwingers 1a gelieferten Ausgangssignal C und dem von der Detektorelektrode 5b gelieferten Ausgangssignal D die Nullausgänge mit gleicher Phase erhalten, während die Coriolissignale der Signale C und D zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen. In Fig. 10 ist der Nullausgang wieder mit F0 bezeichnet, die Coriolissignale C und D sind mit FωC bzw. FωD bezeichnet. Das Meßsignal C entspricht der Summe der Vektoren F0 und FωC, das Meßsignal D entspricht der Summe der Vektoren F0 und FωD.As explained above, the zero outputs with the same phase are obtained in the output signal C supplied by the detector electrode 5 a of the central oscillator 1 a and the output signal D supplied by the detector electrode 5 b, while the Coriolis signals of the signals C and D have mutually opposite phases. In Fig. 10 the zero output is again labeled F0, the Coriolis signals C and D are labeled FωC and FωD, respectively. The measurement signal C corresponds to the sum of the vectors F0 and FωC, the measurement signal D corresponds to the sum of the vectors F0 and FωD.

Wenn das Meßsignal C und D von dem Addierer 11 addiert werden, löschen sich die entgegengesetzte Phasen aufweisenden Coriolissignale C und D, d. h. die Komponenten FωC und FωD gegenseitig aus. Man erhält also ein Signal in Phase mit dem Nullausgang F0. Fig. 6C zeigt das Signal C + D, welches nicht die Phasendifferenz zwischen dem Coriolissignalen enthält. Fig. 6D zeigt das um 90° in der Phase verschobene Signal C + D.When the measurement signals C and D are added by the adder 11 , the Coriolis signals C and D having opposite phases, ie the components FωC and FωD, cancel each other out. A signal is thus obtained in phase with the zero output F0. Fig. 6C shows the signal C + D, which does not contain the phase difference between the Coriolis signals. Fig. 6D shows the 90 ° phase shifted signal C + D.

Die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15a erfaßt die Phasendifferenz zwischen der Vektorkomponente des Coriolissignals C, z. B. des Meßsignals C, welches in der Phase voreilt, und dem in der Phase um 90° verschobenen Vergleichssignal (entsprechend dem Signal in Fig. 6D), um dadurch eine Wellenform zu erhalten, welche gemäß Fig. 6E ein Tastverhältnis von 50% oder mehr aufweist. In ähnlicher Weise ermittelt die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b die Phasendifferenz zwischen dem in der Phase nacheilenden Meßsignal D und dem in der Phase um 90° verschobenen Vergleichssignal, um eine Wellenform mit einem Tastverhältnis von 50% oder weniger gemäß Fig. 6F zu erhalten. Die Fig. 6G und 6H zeigen jeweils Spannungen, die durch die Tiefpaßfilter 16a bzw. 16b erhalten werden.The phase difference detector circuit 15 a detects the phase difference between the vector component of the Coriolis signal C, z. B. the measurement signal C, which leads in phase, and the phase shifted by 90 ° comparison signal (corresponding to the signal in Fig. 6D), to thereby obtain a waveform which, according to Fig. 6E, a duty cycle of 50% or has more. Similarly, the phase difference detecting circuit 15 determines b, the phase difference between the trailing in the phase measurement signal D and the phase-shifted by 90 ° compared signal to give a waveform with a duty ratio of 50% or less as shown in Fig. 6F. Figs. 6G and 6H respectively show voltages through the low-pass filter 16 a and 16 b receive.

Wenn der Differenzverstärker 17 eine Subtraktion zwischen der von dem Tiefpaßfilter 16a gelieferten geglätteten Spannung (VREF + Δf) und der von dem Tiefpaßfilter 16b geglätteten Spannung (VREF - Δf) durchführt, entsteht hierdurch am Ausgang des Differenzverstärkers 17 ein Signal Δf + Δf. Dies ist äquivalent zu dem Signal, welches man durch Addieren des Absolutwerts der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal C und dem Nullausgang in Fig. 10 und des Absolutwerts der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal D und dem Nullausgang in Fig. 10 erhält. Das heißt: jedes der Signale Δf und Δf ist äquivalent der Phasendifferenz Φ. Die Coriolissignale können anhand dieses Signals ermittelt werden, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit ω bestimmen läßt.When the differential amplifier 17, a subtraction between that of the low pass filter 16 a supplied smoothed voltage (VREF + .DELTA.f) and b smoothed by low pass filter 16 voltage (VREF - .DELTA.f) is carried out, thereby generated at the output of the differential amplifier 17 outputs a signal .DELTA.f + .DELTA.f. This is equivalent to the signal obtained by adding the absolute value of the phase difference between the measurement signal C and the zero output in FIG. 10 and the absolute value of the phase difference between the measurement signal D and the zero output in FIG. 10. That is, each of the signals Δf and Δf is equivalent to the phase difference Φ. The Coriolis signals can be determined on the basis of this signal, so that the angular velocity ω can be determined.

Ist die Richtung der Winkelgeschwindigkeit ω entgegengesetzt, so eilt die Phase des Meßsignals C derjenigen des Signals C + D hinterher, während die Phase des Meßsignals D voreilt. Damit entspricht die von dem Differenzverstärker 17 gelieferte Spannung - (Δf + Δf). Der Absolutwert von (Δf + Δf) ist proportional zum Absolutwert der Winkelgeschwindigkeit ω.If the direction of the angular velocity ω is opposite, the phase of the measurement signal C lags that of the signal C + D, while the phase of the measurement signal D leads. The voltage supplied by the differential amplifier 17 thus corresponds to - (Δf + Δf). The absolute value of (Δf + Δf) is proportional to the absolute value of the angular velocity ω.

Als nächstes wird eine in Fig. 4 dargestellte Detektierschaltung erläutert.Next, a detection circuit shown in Fig. 4 will be explained.

In der Detektierschaltung wird das von der Detektorelektrode 5a gelieferte Meßsignal C von einer Wellenformerschaltung (A) 21a und wird das von der Detektorelektrode 5b gelieferte Meßsignal D von einer Wellenformerschaltung (B) 21b geformt. Fig. 7, 8 und 9 zeigen Wellenformen an den jeweiligen Komponenten der Detektierschaltung nach Fig. 4. Fig. 7a, 8a und 9a, und die Fig. 7b, 8b und 9b zeigen die Signale, die durch Wellenformung der Meßsignale C und D erhalten werden.In the detection circuit, the measurement signal C supplied by the detector electrode 5 a is formed by a wave shaper circuit (A) 21 a and the measurement signal D supplied by the detector electrode 5 b is formed by a wave shaper circuit (B) 21 b. Fig. 7, 8 and 9 show waveforms at the respective components of the detection circuit of Fig. 4. Fig. 7a, 8a and 9a, and Fig. 7b, 8b and 9b show the signals obtained by waveform shaping of the measurement signals C and D become.

Die von den Wellenformerschaltungen 21a und 21b erhaltenen Rechtecksignale werden einer Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 zugeführt, die die Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen C und D ermittelt. Die von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 gelieferte Wellenform wird von einem Tiefpaßfilter 23, welches eine Integratorschaltung enthält, geglättet, und diese Spannung wird von einem Verstärker 18 verstärkt, um dann über ein Tiefpaßfilter 19 als Ausgangssignal ausgegeben zu werden. Die Fig. 7C, 8C und 9C zeigen die von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 gelieferten Wellenformen. Fig. 7D, 8D und 9D zeigen die von dem Tiefpaßfilter 23 gelieferten Spannungen. The square wave signals obtained from the wave shaping circuits 21 a and 21 b are fed to a phase difference detector circuit 22 which determines the phase difference between the measurement signals C and D. The waveform provided by the phase difference detector circuit 22 is smoothed by a low-pass filter 23 , which contains an integrator circuit, and this voltage is amplified by an amplifier 18 , in order then to be output as an output signal via a low-pass filter 19 . FIGS. 7C, 8C and 9C show the waveforms supplied by the phase difference detector circuit 22. Fig. 7D, 8D and 9D show the voltages supplied by the low pass filter 23rd

Die Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 nach Fig. 4 ist ein Phasenvergleicher. Wenn die Meßsignale C und D gemäß Fig. 7 in Phase sind, hat das Phasendifferenzsignal ein Tastverhältnis von 0% und bleibt unverändert auf dem Pegel von VREF. Dementsprechend bleibt auch das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 23 auf dem Pegel VREF. Fig. 7 zeigt den Zustand, daß die Schwinger 1a, 1b und 1c in Richtung der X-Achse zum Schwingen angeregt werden, während keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist.The phase difference detector circuit 22 shown in Fig. 4 is a phase comparator. When the measurement signals C and D are in phase as shown in FIG. 7, the phase difference signal has a duty cycle of 0% and remains unchanged at the level of VREF. Accordingly, the output signal of the low-pass filter 23 remains at the VREF level. Fig. 7 shows the state that the vibrators 1 a, 1 b and 1 c are excited to vibrate in the direction of the X-axis while there is no angular velocity ω.

Wenn gemäß Fig. 8 eine Winkelgeschwindigkeit ω auf den Schwingkörper 1 einwirkt und die in Fig. 10 dargestellten Coriolissignale C und D (Fωc und FωD) einander überlagert werden, so daß das Meßsignal C dem Nullausgang F0 in der Phase vorauseilt, während das Meßsignal D dem Nullausgang F0 in der Phase nacheilt, ergibt sich am Ausgang der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 eine Rechteckwelle, die mit der Vorderflanke des Meßsignals C ansteigt und mit der Vorderflanke des Meßsignals D abfällt, wie in Fig. 8C gezeigt ist. Die von dem Tiefpaßfilter 23 gelieferte Gleichspannung ist um ΔF gegenüber der Spannung VREF erhöht. Dieser Wert ΔF entspricht der Phasendifferenz Φ zwischen dem Meßsignal C und dem Meßsignal D in Fig. 10.If an angular velocity ω acts on the oscillating body 1 according to FIG. 8 and the Coriolis signals C and D (Fωc and FωD) shown in FIG. 10 are superimposed on one another, so that the measurement signal C leads the zero output F0 in phase, while the measurement signal D lagging the zero output F0 in phase, there is a square wave at the output of the phase difference detector circuit 22 , which increases with the leading edge of the measurement signal C and falls with the leading edge of the measurement signal D, as shown in Fig. 8C. The direct voltage supplied by the low-pass filter 23 is increased by ΔF compared to the voltage VREF. This value ΔF corresponds to the phase difference Φ between the measurement signal C and the measurement signal D in FIG. 10.

Fig. 9 zeigt den Zustand, daß die Winkelgeschwindigkeit ω einen entgegengesetzten Drehsinn aufweist. In diesem Fall läuft die Phase des Meßsignals C dem Nullausgang hinterher, während das Meßsignal D dem Nullausgang in der Phase vorauseilt. Das Ausgangssignal der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 fällt mit der Vorderflanke des Meßsignals D und steigt mit der Vorderflanke des Meßsignals C an. Das von dem Tiefpaßfilter 23 gelieferte Ausgangssignal entspricht dem Wert VREF - ΔF gemäß Fig. 9D. Dieser Wert ΔF ist äquivalent der oben erwähnten Phasendifferenz Φ. Fig. 9 shows the state that the angular velocity ω has an opposite direction of rotation. In this case, the phase of the measurement signal C follows the zero output, while the measurement signal D leads the phase zero in advance. The output signal of the phase difference detector circuit 22 falls with the leading edge of the measuring signal D and rises with the leading edge of the measuring signal C. The output signal supplied by the low-pass filter 23 corresponds to the value VREF - ΔF according to FIG. 9D. This value ΔF is equivalent to the phase difference Φ mentioned above.

Man kann also auch mit der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung die Corioliskraft anhand der gewonnen Spannung ΔF ermitteln, um daraus die Winkelgeschwindigkeit ω zu erhalten.The Coriolis force can also be determined with the detection circuit shown in FIG. 4 on the basis of the voltage ΔF obtained in order to obtain the angular velocity ω therefrom.

Erfindungsgemäß werden die auf der Corioliskraft beruhenden Ausgangssignale, die von dem Paar von Detektierausgabeeinrichtungen erzeugt werden, einander in der Phase überlagert, wenn keine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist, und sie werden bei vorhandener Winkelgeschwindigkeit phasenverschoben überlagert. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Meßsignalen C und D wird ermittelt. Deshalb erhält man eine große Phasendifferenz Φ, was einer erhöhten Meßempfindlichkeit entspricht.According to the Coriolis force based Output signals from the pair of detector output devices are generated, superimposed on each other in the phase if none Angular velocity exists and they will be present Angular velocity superimposed out of phase. The Phase difference between the two measurement signals C and D is determined. Therefore you get a large phase difference Φ which one corresponds to increased measuring sensitivity.

Selbst wenn die Stärke (die Amplitude) des Nullausgangs aufgrund von Temperaturdrift oder dgl. schwankt, hat dies keinen Einfluß auf die Nachweisgenauigkeit, wenn sich nicht die Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen ändert.Even if the strength (amplitude) of the zero output due to Temperature drift or the like fluctuates, this has no effect on the Detection accuracy if the phase difference between the Measurement signals changes.

Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Beispielen wird die Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen elektrisch als digitales Signal durch die Phasendifferenz-Detektorschaltung in Form eines Exclusiv- oder-Gatters oder dgl. verarbeitet, so daß sich die Phasendifferenz digital feststellen läßt. Dadurch ist es möglich, die Verstärkung von Analogschaltungen zu reduzieren und damit den Einfluß von Drifterscheinungen zu verringern.In the examples shown in FIGS . 3 and 4, the phase difference between the measurement signals is processed electrically as a digital signal by the phase difference detector circuit in the form of an exclusive or gate or the like, so that the phase difference can be determined digitally. This makes it possible to reduce the amplification of analog circuits and thus to reduce the influence of drift phenomena.

Außerdem entfällt das Trimmen der Schwinger 1a, 1b und 1c zur Amplituden-Justierung, wie es bei einem Amplitudendetektiersystem erforderlich ist.In addition, there is no need to trim the oscillators 1 a, 1 b and 1 c for amplitude adjustment, as is required in an amplitude detection system.

Gemäß obiger Beschreibung ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Nachweisen von auf Corioliskraft zurückzuführenden Schwingungskomponenten durch die Phasendifferenz den Nachweis dieser Phasendifferenz mit hoher Empfindlichkeit im Vergleich zum Stand der Technik. Überflüssig ist die extreme Steigerung der Verstärkung von Analogschaltungsteilen, Einflüsse von Drifterscheinungen werden vermieden.According to the above description, the invention Device for detecting Coriolis force Vibration components through the phase difference detection this phase difference with high sensitivity compared to State of the art. The extreme increase in Amplification of analog circuit parts, influences of Drift phenomena are avoided.

Claims

1. oscillating gyroscope, comprising:
a transducer ( 1 );
a driver device ( 2 , 3 ) which excites the vibrator ( 1 ) to vibrate in a predetermined direction;
a detection unit ( 5 a, 5 b; 11-14 ) for emitting vibration components as electrical signals;
wherein the detection unit ( 5 a, 5 b; 11-14 ) has paired detection output devices ( 5 a, 5 b) with which a phase difference is generated due to a Coriolis force when the transducer is exposed to an angular velocity; and
means ( 15 a, 15 b) for forming the phase difference of the output quantities supplied by the detection output means;
whereby the angular velocity is determined on the basis of the output variable generated by the phase difference formation device.

2. Vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the paired detection output devices are electrodes ( 5 a, 5 b) which are arranged on sides spaced apart from one another in the driving and vibration directions with respect to the center of the vibrator.

3. Vibrating gyroscope according to claim 2, wherein the pair of electrodes is formed on the same surface of the vibrator ( 1 ).

4. Vibrating gyro according to claim 1, wherein the vibrator ( 1 ) in its entirety consists of a piezoelectric material and the detection output devices are formed by electrodes on the surface of the piezoelectric material.

5. A gyroscope according to claim 1, comprising:
a comparator means ( 11-13 ) for forming a comparison signal from the output quantities generated by the pair of detection output means,
a first phase difference detector circuit ( 15 a) for forming the phase difference between the output quantity generated by the one detector output device and the comparison signal;
a second phase difference detector circuit ( 15 b) for forming the phase difference between the output quantity generated by the other detector output device and the comparison signal; and
an adding device ( 17 ) for adding the absolute values of the phase difference, which are obtained from the first and the second phase difference detector circuit ( 15 a, 15 b), whereby the angular velocity is detected on the basis of the generated sum signal.